### PWM工作原理及其调制详解
#### 一、PWM 直流伺服系统的历史背景与意义
PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）技术作为一种高效的电力电子控制手段，在现代工业自动化、电机控制等领域发挥着至关重要的作用。自20世纪70年代以来，随着电力电子技术的进步，尤其是全控型器件如GTO（Gate Turn-Off Thyristor，门极可关断晶闸管）、Power-MOSFET（电力场效应晶体管）、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）的出现和发展，PWM驱动装置因其诸多优点而逐渐成为主流。
- **历史背景**：
- **早期相控整流装置**：20世纪70年代之前，以晶闸管为基础的相控整流装置在运动控制系统中占据主导地位。但晶闸管作为半控型器件，在某些方面的性能存在局限性，比如调速范围不广、动态响应慢等。
- **全控型器件的兴起**：随着全控型器件的出现，PWM技术得以快速发展。这些新型器件能够实现更灵活的控制，并且提高了系统的效率和性能。
- **PWM技术的应用**：PWM技术以其调速范围宽、快速性好、电流波形系数优良等特点，在中小功率应用场合展现出了显著优势，成为了电机控制领域的关键技术之一。
#### 二、PWM变换器的基本结构与工作原理
- **基本结构**：PWM变换器的基本结构主要包括电力电子开关器件VT和续流二极管VD。其中，VT负责控制直流电源与负载之间的连接与断开，而VD则用于确保负载电流在VT关断期间不会突然中断。
- **工作原理**：
- **导通阶段**：当VT导通时，直流电源电压直接施加于负载（如电机），此时负载两端的电压等于电源电压。
- **关断阶段**：当VT关断时，直流电源与负载断开，负载（如电机）中的电流通过VD续流，保持负载两端电压接近于零。
- **重复过程**：通过不断地切换VT的导通和关断状态，可以实现对负载电压的有效调节。
#### 三、典型PWM变换器的结构及工作原理
- **不可逆PWM变换器**：
- **基本结构**：包括电力电子开关器件VT和续流二极管VD。
- **工作状态**：分为电动状态、制动状态和轻载电动状态等。
- **可逆PWM变换器**：
- **基本结构**：采用H型桥式结构，能够实现正反转控制。
- **工作状态**：根据不同的控制策略，可逆PWM变换器能够适应多种工作模式，如正转电动、反转电动、正转制动和反转制动等。
#### 四、PWM系统控制电路及数学模型
- **控制电路**：PWM系统控制电路的设计对于实现精确的电机控制至关重要。它通常包括信号检测、比较放大、脉冲发生等多个环节，确保PWM信号的准确生成。
- **数学模型**：为了深入理解和分析PWM系统的工作特性，建立准确的数学模型是非常必要的。通过对PWM变换器的工作原理进行数学抽象，可以更好地优化控制策略，提高系统的稳定性和可靠性。
#### 五、PWM直流调速系统的开环机械特性
- **开环机械特性**：PWM直流调速系统的开环机械特性主要受PWM信号的频率和占空比的影响。通过调整PWM信号的参数，可以实现对电机转速的有效控制。
- **调速范围**：得益于PWM技术的优势，PWM直流调速系统的调速范围较宽，能够满足不同应用场景的需求。
- **动态响应**：PWM调速系统的动态响应速度快，有助于提高整体系统的响应速度和控制精度。
#### 六、思考题解答
1. **H型PWM变换器的控制方式**：
- **双极式控制**：电机两端的电压可以在正负两个方向变化，适用于需要频繁改变方向的应用场合。
- **单极式控制**：仅允许电压在一个方向变化，通常用于不需要频繁改变方向的应用。
- **受限单极式控制**：结合了单极式和双极式的优点，但在某些特定条件下会限制电压的变化范围。
- **电流断续现象**：在单极式控制下可能会出现电流断续现象，因为电机两端的电压只能在一个方向变化，这可能导致在轻载或空载条件下电流中断。
2. **反并联二极管的作用**：
- **保护功率器件**：反并联二极管的主要作用是在功率器件关断时为电流提供续流通路，避免电流突变对功率器件造成损坏。
- **短路后果**：若二极管短路，将导致电流无法正常续流，进而可能引起过热甚至烧毁电机或功率器件。
3. **单极式与双极式的区别**：
- **电压方向**：单极式控制下，电压只能在一个方向变化；而双极式控制下，电压可以在正负两个方向变化。
- **适用场景**：单极式适用于不需要频繁改变方向的应用，双极式则更适合需要频繁改变方向的场合。
4. **PWM直流调速系统的特点**：
- **调速范围宽**：能够实现从低速到高速的大范围调速。
- **动态响应快**：具有良好的加速和减速性能。
- **电流波形好**：由于PWM信号的特性，电机电流波形更加平滑，有利于降低电磁干扰。
- **功率因数高**：相比传统的相控整流系统，PWM系统能够获得更高的功率因数。
- **节能效果明显**：在部分负荷运行状态下，PWM系统能够实现较好的能效比，有助于节能减排。
PWM技术不仅为直流伺服系统的控制提供了高效可靠的解决方案，还在不断的技术进步中展现出更为广阔的应用前景。
